转基因技术的应用（转基因技术的应用实例）
作者:张仁森，翟然，胡文平，褚明星，中国农业科学院北京畜牧兽医研究所
来源:遗传农业网络
21世纪，随着人口的增加和人们需求的变化，农产品的供需矛盾越来越明显，传统的农业生产技术已经难以满足人们的各种需求。转基因技术可以大大提高农业的生产效率，因此越来越受到重视。迄今为止，转基因技术已广泛应用于农业、医学、工业、环保等诸多领域。全球转基因植物的研发已从抗虫、抗除草剂等第一代产品，转向改善营养品质、提高产量和保质期等第二代产品，以及工业、医药、生物反应器等第三代产品。多基因聚合正成为转基因技术研究和应用的核心内容。作为农业研究者，在这里我们想谈谈转基因技术及其在农业中的应用。
什么是基因？
生物体由各种细胞组成。细胞的结构从外到内依次是细胞膜、细胞质和细胞核。细胞核里有一种物质叫染色体。不同的生物有不同数量的染色体。比如人有23对染色体，也就是46条染色体。每条染色体都是由一条DNA双螺旋和许多组蛋白相互缠绕而成。那么这个DNA双螺旋中的一小段编码的序列就是我们所说的基因(对于原核生物来说，比如一些病毒，比如基因。基因是遗传信息的基本单位，是染色体或基因组的DNA序列。
基因不神秘，DNA也不神秘。实际上，DNA分子是一种基于互补配对原理由两条核苷酸链组成的双螺旋结构的分子化合物。它分为编码链和模板链。编码链包含了与生命活动密切相关的遗传信息，即基因。DNA的双螺旋就像火车的铁轨，但为了节省空时间，生物尽可能地扭曲和折叠这个“铁轨”，所以它们在电子显微镜下看起来就像一个不规则的羊毛球。一条染色体只有一条DNA双螺旋，其中包含很多基因。不同物种的基因数量差异很大，如简单RNA病毒只有8个基因，流感病毒有1700多个基因，大肠杆菌有近4300个基因，水稻大约有46000到55000个基因，人类有25000多个基因。不同物种之间有一些相似的基因，但也有一些物种特有的基因，因此可以将一些物种特有的优良基因转移到目标物种中，也就是我们常说的转基因。
什么是转基因技术？
转基因技术是指将人工分离和修饰的基因导入生物的基因组中。通过外源基因的稳定遗传和表达，生物可以拥有自己不具备的性状，从而更好地满足人的需求。这里说的基因不是空编造的基因，而是自然界中某些物种特有的基因。如2015年美国批准上市的转基因三文鱼。野生三文鱼肉很好吃，但生长速度太慢，往往要4~5年才能上市；而另一种三文鱼虽然生长速度很快，但肉质却不受人们欢迎。因此，科学家在这种鱼身上找到了决定快速生长的基因，并将其转入野生三文鱼体内，从而培育出生长速度快、肉质鲜美的转基因三文鱼，从而更好地满足人们的需求。又如，普通棉花对棉铃虫的抗性很差，而带有苏云金杆菌Bt基因的棉花对棉铃虫的抗性显著增强。
转基因技术的分类
人们总有一个疑问，我们吃转基因食品，这个基因会不会被转移到我们体内？事实上，将一个基因从一个物种的基因组转移到另一个物种的基因组需要特殊的技术，这就是我们所说的转基因技术。单纯靠吃之类的是绝对不可能实现转基因的！根据生物种类的不同，转基因技术主要分为三大类:植物转基因技术、动物转基因技术和微生物转基因技术。下面就一个一个介绍吧。
目前植物转基因技术主要有农杆菌介导法、基因枪法、聚乙二醇(PEG)介导法、电穿孔法和花粉管通道法。
农杆菌介导法:农杆菌介导法是先将插入目的基因的植物表达载体转入农杆菌，然后通过农杆菌感染植物，即将来自根癌农杆菌的Ti质粒或发根农杆菌的Ri质粒的目的基因导入植物的受体细胞并整合到其基因组中，从而完成目的基因的转化。农杆菌是一种革兰氏阴性菌，在自然条件下可侵染大部分双子叶植物的受伤部位，可诱发冠瘿或毛状根。我们每天在地里看到的很多双子叶植物的根和茎连接处附近的一种帽状肿瘤，就是由农杆菌感染引起的。现代分子生物学研究发现，根癌农杆菌的细胞中含有一种特殊的质粒，即Ti质粒或Ri质粒。当农杆菌感染植物的伤口时，这种质粒可以将含有多个基因的一段DNA转移到植物细胞中，并插入植物基因组中(我们称这段DNA为T-DNA)。转移到植物基因组中的这些基因的表达导致冠瘿或毛状根。然而，科学家只想将需要的基因转移到植物细胞中，而不想让植物产生冠瘿或毛状根。于是科学家们对T-DNA进行了改造，去掉了能引起肿瘤的基因，把需要的外源基因插入到T-DNA中，使转入植物细胞基因组的T-DNA含有想要的基因，不会使植物产生冠瘿或毛状根，从而达到保护植物不患癌的目的。农杆菌介导的转化是最早、研究最深入、应用最广泛的转基因方法，技术相对成熟有效。自1983年首次通过农杆菌介导的方法获得转基因植物以来，科学家们已经成功地获得了番茄、牵牛花和油菜等转基因植物。
基因枪法:基因枪法最早由美国康奈尔大学生物化学系桑福德提出。这种方法也叫粒子枪法、高速微弹法等。其原理是利用钨粉或金粉等金属颗粒包裹外源DNA，以高压放电或高压气体为驱动力，使金属颗粒高速运动，撞击受体细胞或组织，从而将外源目的基因整合到植物基因组中，培育转基因植物。与农杆菌介导的转化相比，粒子轰击不受植物是单子叶还是双子叶植物的限制，其载体质粒的构建也相对简单。然而，基因枪法生产的转基因植物中外源基因表达不稳定，成本高，需要特殊设备。
聚乙二醇介导法:聚乙二醇(PEG)法由Dayey等人于1980年首先建立。其原理是PEG在高pH下与原生质体(去除所有细胞壁的细胞)融合，原生质体膜的通透性发生变化，原生质体对外来DNA的吸收增强，目的基因整合到原生质体的基因组中并特异性表达。该方法对细胞副作用小，转化的稳定性和重复性好，可一次转化多个原生质体，但该方法转化率低。由于PEG对原生质体有一定的毒性作用，所以这种方法不能用于原生质体培养，也不能用于再生困难的植株。
电穿孔法:Michael等人于1985年首次将电穿孔法用于转基因。在1400V高压下处理质膜以导入外源基因，培养2 ~ 4天后，在原生质体中检测到外源基因的瞬时表达。电穿孔的原理是当植物细胞受到外界高压电击时，细胞膜会发生不对称穿孔。但这种开孔的出现是可逆的，电击释放后这些孔会闭合。所以在此期间，这个孔要作为外源基因导入细胞的通道，使目的基因导入并整合到受体细胞的基因组中。迄今为止，电穿孔法已成功应用于烟草、番茄、玉米、大豆、小麦和马铃薯的原生质体转化。这种方法操作相对简单，但转换效率较低。
花粉管通道法:1983年，科学家周光宇通过对我国远缘杂交的研究，提出了DNA片段杂交假说，为花粉管通道法提供了理论基础。首次通过花粉管通道法将海岛棉基因转入陆地棉，培育出抗枯萎病棉花新品种。这种方法的主要原理是在植物开花时将含有外源目的基因的DNA溶液注入植物花器官的子房，利用植物开花受精过程中形成的花粉管通道将外源DNA导入受精卵细胞，并进一步整合到植物细胞的基因组中，然后随着受精卵的发育产生转基因新个体。该方法最大的优点是不依赖植物组织培养，不需要特殊的仪器设备，工艺简单，但该方法的重复性有待进一步提高。
目前，微生物转基因方法主要有氯化钙(CaCl2)法和电转运法。
氯化钙(CaCl2)法:该方法由Cohen于1972年首次建立。原理是细菌在0℃的低渗透CaCl2溶液中，细菌细胞膨胀成球形。转化混合物中的DNA形成抗脱氧核糖核酸酶的羟基磷酸钙复合物，并粘附于细胞表面。在42℃下短时间的热激处理后，细胞被促使吸收DNA复合物。在合适的培养基上生长几个小时后，球形细胞恢复并分裂和增殖。在转化的细菌中，重组体中的基因被表达，并且它们被放置在选择性培养基平板上。用Ca2+处理的感受态细胞转化率一般可达5× 106 ~ 2× 107转化子/μg质粒DNA，可满足一般的基因克隆试验。例如，在Ca2+的基础上，用其他二价金属离子(如Mn2+、Co2+)、DMSO或还原剂处理细菌，转化率可提高100-1000倍。该方法简单、快速、稳定、重现性好，适用于多种菌株。感受态细菌可以在-70℃保存，因此被广泛用于细菌外源基因的转化。
电转换:电转换的研究始于20世纪70年代。细胞电融合于1979年首次实现，并于1980年成功应用于质粒导入。电转化的基本原理是，当细胞被置于电场中时，细胞膜就像一个电容器，电流无法通过离子通道。随着电压升高，细胞膜成分被极化，细胞膜两侧产生电位差。当电位差超过某一临界水平时，细胞膜被部分破坏，一些瞬间的孔洞形成。孔径大到足以让大分子和小分子如ATP进出细胞。如果电场强度和脉冲持续时间不超过临界极限，这种通透性是可逆的，否则细胞会遭受不可逆的损伤或死亡。
目前，常用的动物转基因技术包括细胞核显微注射、精子介导的基因转移、核移植转基因和逆转录病毒。
细胞核显微注射:在显微镜下，用非常细的玻璃针(直径1 ~ 2微米)将外源DNA直接注射到受精卵的细胞内。注射的外源基因与受精卵基因组融合，然后体外培养，最后移植到受体动物的子宫内发育。这样，随着受体动物的递送，可以产生转基因动物个体。细胞核显微注射是动物转基因中最常用的方法，但它存在效率低、表达不稳定、动物供体和受体数量多等缺点。
精子介导的基因转移:这种方法是对动物精子进行适当处理，使其携带外源基因(DNA分子不是随机结合在精子上的，精子具有自发捕获外源DNA的能力。DNA与精子结合后，内化整合，与精子结合的部分DNA内化到精子中，并能与精子核骨架稳定结合，从而实现精子介导的基因转移)。然后用携带外源基因的精子给发情的雌性动物授精，雌性动物的后代一定比例是转基因个体。与显微注射相比，精子介导的基因转移具有成本低、无需对受体动物进行特殊处理等优点。
核转基因法:首先将基因导入体外培养的体细胞，筛选出含有外源基因的体细胞。然后取出细胞核，移植到去核的卵细胞中，产生重构胚胎。重构的胚胎被移植到母体中，从而产生转基因动物。体细胞核移植是一种相对较新的动物转基因技术。
逆转录病毒法:利用逆转录病毒DNA的LTR区具有转录启动子活性的特点，将外源基因连接到LTR的下部进行重组，然后包装成高滴度的颗粒直接感染受精卵，或者显微注射到囊胚腔内，然后将携带外源基因的逆转录病毒DNA整合到宿主染色体中。该方法操作简单，外源基因整合效率高。动物病毒的启动子不仅可以触发某些选择标记基因的表达，还可以触发导入的外源基因的表达。但逆转录病毒载体的容量有限，难以将外源基因植入生殖系统，因此成功率较低。
从上面的转基因方法我们可以知道，基因从一个物种转移到另一个物种，需要特殊的加工处理才能实现基因转移。把基因转入微生物很容易，但把基因转入植物和动物很难。在将基因转入植物和动物的过程中，即使这些基因经过了特殊的加工和处理，我们也要从成千上万的实验样本中筛选出整合了目的基因的转基因个体。所以单纯吃转基因食品是不可能被转基因的！之所以有这么多谣言，是因为人们对转基因不了解。
转基因产品
转基因产品是通过转基因技术转化的生物及其加工品，主要包括转基因生物和转基因食品。转基因生物是指通过转基因技术改造的生物，通常被称为转基因生物，包括转基因植物、动物和微生物，如转基因棉花、大豆、转基因三文鱼、转基因奶牛等。转基因食品是指利用转基因技术改良的动物、植物和微生物制作或生产的食品、食品原料和食品添加剂，如现在市场上销售的转基因植物油。
由于转基因技术可以高效、准确地将一个基因从一个物种转移到另一个物种，打破了物种之间的生殖隔离(理论上，各种物种的基因可以互换，植物的基因可以转移到动物身上，这在过去是不可能的)，自20世纪80年代科学家成功利用转基因大肠杆菌生产胰岛素以来，转基因技术已经广泛应用于农业、工业、医学等领域。随着人口的增加和生活质量的提高，社会对农业提出了越来越高的要求，我们需要更多更高质量的食品。农药的使用会对人体和环境造成极大的危害，各种疾病每年会造成上亿的损失。随着生活质量的提高，人们不仅满足于饱腹感，而且更加注重营养的均衡和食物的口感，所以现在转基因技术也被用来培育具有优良性状的品种，如抗除草剂转基因大豆、抗虫转基因玉米、富含β-胡萝卜素的转基因水稻和抗结核转基因牛等。，充分发挥转基因农产品产量大、品质优的优势。到2018年，全球转基因作物种植面积已经超过1.9亿公顷，种植的作物主要是大豆、玉米、棉花、油菜等。然而，中国只有转基因抗虫棉和转基因抗病毒番木瓜获准商业化种植，转基因三文鱼是迄今为止世界上唯一获准上市的转基因动物食品。下面介绍各种转基因产品。
抗虫转基因植物:棉铃虫、蚜虫等各种害虫每年给农业造成巨大损失，而传统的杀虫方法是使用化学农药。过量使用化学农药不仅会导致种植成本高，还会影响人体健康。人们需要一种新的抗虫方法。转基因技术的出现使这种新的抗虫方式成为现实。抗虫转基因植物是指带有抗虫基因的植物。由于抗虫基因，植物本身可以对害虫免疫，从而减少化学农药的使用。目前常用的抗虫基因主要有Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、植物凝集素基因、淀粉酶抑制剂基因等。，而抗虫Bt基因是产业化应用的重点。Bt毒素是苏云金芽孢杆菌天然产生的一类蛋白毒素家族，无毒。因为鳞翅目昆虫幼虫的肠道内有Bt蛋白受体，当Bt蛋白与其结合时，幼虫会因肠道穿孔而死亡。而人的肠道缺少Bt蛋白受体，所以完全无毒。
抗病转基因植物:抗病转基因植物是近年来转基因植物研发的热点。各种植物病毒、细菌、真菌和害虫一样，每年不仅给农业造成巨大损失，而且农药的过量使用不仅增加了种植成本，还对人体和环境造成危害。转移抗病基因既节约了成本，又减少了对人体和环境的危害。目前常用的抗病基因有植物病毒的外壳蛋白基因、病毒复制酶基因、核糖体失活蛋白基因、干扰素基因、非植物来源的杀菌肽基因如拟南芥RPS2基因、番茄PTO基因等。除了抗病毒番木瓜的商业化生产之外，迄今为止，已成功培育了抗纹枯病和稻瘟病的水稻、抗灰霉病的烟草、抗炭疽病、白粉病和角斑病的草莓以及抗麻风病、柑橘溃疡病和青果病的柑橘。
抗除草剂转基因植物:杂草是我们种植作物时不得不面对的一个大问题。杂草作为农作物的竞争对手，会争夺农作物的存活时间和养分，大大降低农作物的产量。而现在的除草方法是用化学方法除草，所谓“一千敌伤，八百自损”。化学除草剂的使用虽然去除了杂草，但也会对环境和土壤造成危害。因此，科学家们试图将抗除草剂基因转移到植物中，培育抗除草剂植物。到2017年，200多种抗除草剂作物实现产业化，约占转基因作物总数的70%，包括抗草甘膦大豆、玉米、棉花、油菜、向日葵、甜菜和水稻；咪唑啉酮抗性玉米、油菜、甜菜和水稻；抗磺酰腺大豆和棉花；抗溴苯的棉花、烟草等。中国获得了抗除草剂转基因作物，如抗Basta水稻、小麦、烟草、油菜和芝麻；抗阿特拉津大豆；抗溴苯油菜、小麦和抗草甘膦小麦等。BAR基因产物是迄今为止应用最广泛的抗除草剂基因，因为它可以修饰草甘膦。它已成功地应用于小麦、水稻、玉米、大麦、油菜等作物的遗传转化。此外，作为选择标记基因，抗草甘膦的AROA基因、抗溴苯腈的BXN基因和抗绿磺隆的CSRL基因也已成功用于不同作物的遗传转化。
非生物抗逆转基因植物:随着人口的增加，某一面积土地所要养活的人口也在增加。世界上适合耕种的土地是有限的，大部分土地不适合耕种，比如高寒地带，高盐碱地带。如果能在这些地方种植农作物，目前的粮食短缺将会大大缓解。事实上，目前对非生物胁迫抗性转基因植物的研究和开发主要集中在抗旱、耐盐碱、耐高温和耐低温转基因植物上。山东师范大学生物学院的实验室已经培育出耐盐转基因番茄、大豆、水稻和速生杨。孟山都公司在美国西部推广种植了世界上第一种耐旱转基因玉米；科学家还成功将北极比目鱼的抗冻基因导入草莓，获得的转基因抗冻草莓已经在美国上市。其他培育的防冻植物包括防冻番茄、防冻烟草等。目前还发现，通过转耐盐碱基因在一定程度上提高了玉米的耐盐碱能力。
提高转基因植物的品质:转基因技术还可以用来提高植物的营养价值(蛋白质质量、能量质量、维生素含量、微量元素含量)，改善食物的口感。其中最著名的大概就是黄金大米了。对于发展中国家来说，维生素A缺乏是导致儿童失明的首要原因，因此科学家将与β-胡萝卜素合成相关的基因转移到水稻中，从而培育出黄金大米，可以大大改善儿童维生素A缺乏的症状。科学家还利用转基因技术在植物中表达编码半乳糖内酯脱氢酶的基因，从而增加植物中维生素C的含量；将玉米种子富含必需氨基酸的基因导入马铃薯，使转基因马铃薯茎秆中必需氨基酸的含量提高了10%以上。到目前为止，花青素增加的转基因柑橘，叶酸增加的谷物(如大米、小麦、高粱等。)和非谷类(如土豆、香蕉等。)都被培养了；科学家还培育出富含omega-3脂肪酸健康因子的转基因芥蓝种子；2017年，美国批准转基因菠萝商业化，使番茄红素大量积累，呈现粉红色，具有比黄心菠萝更高的抗癌、心血管保护和疾病预防作用。
具有复合性状的转基因植物:如果一种植物不仅营养丰富，味道鲜美，而且能抵抗各种病虫害和非生物胁迫，将大大降低生产成本，丰富人们的物质生活。事实上，通过多基因聚合获得具有复杂性状的转基因植物是转基因植物研究领域的重点和热点。美国孟山都公司与陶氏公司合作，开发出具有八大抗逆抗虫特性的组合品种SmartStax，可同时控制地下和地上昆虫，抗广谱除草剂。加拿大批准了还原糖、丙烯酰胺和抗伤害性降低的复合转基因马铃薯的商业化。
其他转基因植物:其他转基因植物包括控制果实成熟的转基因植物、提高产量的转基因植物、耐储存和高效利用养分的转基因植物等。比如，通过转移控制乙烯合成的关键酶基因，可以延长一些水果、蔬菜、水果的保鲜期；转基因技术可以提高黑麦草的代谢能力，使其产量提高40%左右。通过转基因技术获得的抗伤害和抗褐变的转基因马铃薯可以变得更耐贮藏；它可以通过转移编码的铁调节蛋白来促进植物对微量元素的吸收。
到目前为止，世界上只有转基因鲑鱼被批准上市，但转基因技术在动物的抗病育种和品质改良方面也取得了重要进展。
具有抗病能力的转基因动物:口蹄疫、禽流感、牛结核病等各种疾病的爆发，每年给畜牧业造成数百亿的损失，尤其是疯牛病、布鲁氏菌病等人畜共患疾病不仅给农业造成巨大损失，还威胁着人们的生命健康。随着转基因技术的出现，利用这种方法培育抗病能力强的新品种将是控制这些病害传播的一种新的有效手段。到目前为止，已经培育出的抗病品种包括抗禽流感的转基因鸡、抗蓝耳病的转基因猪、抗布鲁氏菌病的转基因羊、抗结核病的转基因牛等。
提高转基因动物的质量:近年来，利用转基因技术培育出产肉量、肉品质、产毛量和毛品质均有所提高的家畜新品种一直是动物转基因领域的研究热点。2015年，美国批准唯一一种转基因动物食品——转基因三文鱼上市，其生长速度约为普通三文鱼的两倍。科学家将肠道乳糖酶基因转入奶牛体内，培育出可以生产低乳糖或无乳糖牛奶(大多数人不能完全消化乳糖或对乳糖过敏)的转基因奶牛；此外，科学家还通过过量表达FSH基因提高了公猪的生精能力。
转基因技术在其他领域的应用:除了农业，转基因技术在其他领域也得到广泛应用。在工业领域，转基因技术主要用于制作食品添加剂和培养各种益生菌。在医疗方面，目前最热门的研究集中在“分子农业”、动物乳腺反应器等。科学家将相应的目标基因转入动植物体内，利用动植物的功能制备相应的蛋白质、疫苗、药物等。，以解决蛋白质和药物生产和提取中的一些伦理和社会学问题；此外，转基因动物模型的构建也是当前研究的重点；科学家还利用转基因微生物降解塑料，利用转基因技术培育新品种的生物质能源植物。
转基因技术在农业应用中的前景
人口增长导致的粮食短缺、资源短缺和环境恶化等全球性问题对传统农业提出了严峻挑战。我们需要更多高产、抗逆的动植物品种。传统的杂交育种方法往往需要几代甚至几十年才能培育出一个品种。与传统育种方法相比，转基因技术可以准确地将基因转移到目标生物中，从而大大缩短培育新品种的时间。而且转基因技术可以打破物种间的生殖隔离，实现不同物种间的基因交换。在过去的几十年里，转基因植物的种植面积越来越大。虽然转基因三文鱼是目前市场上唯一的转基因动物，但许多转基因动物已经进入评估阶段，并且表现出优良的表型特征，具有良好的产业化前景。公众对转基因知识的无知导致了对转基因技术的诸多质疑，但转基因技术在过去几十年对农业的巨大贡献是毋庸置疑的。我们有理由相信，科学家们会利用好转基因技术，使之更好地造福人类。
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